某設(shè)備偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)改進設(shè)計分析

余東滿，劉旸，楊峰

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473000)

近二十余年來，隨著世界光電產(chǎn)品技術(shù)的迅猛發(fā)展與進步，高、中、低端光電產(chǎn)品制造數(shù)量和品種在急劇膨脹，產(chǎn)品制造的重心也朝著亞洲和中國方面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致光學(xué)設(shè)備的引進、研發(fā)和生產(chǎn)也隨之高速發(fā)展起來。光學(xué)產(chǎn)品的品種、數(shù)量和精度要求越來越高，光學(xué)加工機床的數(shù)量、效率、精度也必然要隨之得到提高，這就涉及到此類機床設(shè)備關(guān)鍵零部件的加工、裝配精度和生產(chǎn)效率的問題。迫使相關(guān)的工程技術(shù)人員要不斷去學(xué)習(xí)借鑒、研究國外先進的光學(xué)設(shè)備的設(shè)計和加工技術(shù)，設(shè)計、改進相應(yīng)的零部件和整機，在更短的時間周期內(nèi)，生產(chǎn)數(shù)量更多的、質(zhì)優(yōu)價廉的裝備投入到生產(chǎn)中去。

在這類設(shè)備當(dāng)中，偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)是傳遞動力的重要部件，要在保證傳遞動力足夠的前提下，靈活、平穩(wěn)、連續(xù)不斷地把足夠的動力傳遞出去，來保證機床連續(xù)不斷地運轉(zhuǎn)工作。

現(xiàn)就對偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中，在保證使用性能不改變的前提下，以原有機床結(jié)構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)，如何改進設(shè)計的問題，進行探討、研究和分析。

設(shè)計改進的目的，在不降低原機構(gòu)性能的前提下，結(jié)構(gòu)盡可能簡單優(yōu)化，降低零件加工難度，方便裝配，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

下面就此類設(shè)計問題展開，對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進設(shè)計進行對比說明，以期得到加工效率更高、周期更短、成本更低、更合適、更經(jīng)濟的設(shè)計方法。

1 原偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)

20世紀(jì)90年代初期，國內(nèi)引進的國外此類先進設(shè)備，設(shè)備價格當(dāng)時為15 萬人民幣左右，其中偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)如圖1所示。

圖1 原偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)

在引進國外先進設(shè)備的基礎(chǔ)上，消化吸收、改進設(shè)計、制造批量此類設(shè)備，每臺設(shè)備造價在4 萬多元，還不到進口設(shè)備價格的1/3。在國內(nèi)光學(xué)設(shè)備市場，有很大的推廣和應(yīng)用價值。

偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)，轉(zhuǎn)動用軸承沿用原機，為進口調(diào)心球軸承，型號2203，內(nèi)、外徑尺寸分別為20、40 mm，軸承寬度尺寸為16 mm。

在制造和裝配該偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)的過程中，發(fā)現(xiàn)以下兩種問題:

(1)2203 軸承內(nèi)、外圈分別和T 型套5、軸承套2 過渡配合。間隙過大，會帶來轉(zhuǎn)動過程中的噪聲，并影響其轉(zhuǎn)動和傳動的精度;過盈量過大，影響調(diào)心球軸承調(diào)心作用和轉(zhuǎn)動的靈活性，進而導(dǎo)致此機構(gòu)轉(zhuǎn)動中的阻力、卡滯現(xiàn)象。其中軸承外圈和軸承套內(nèi)孔的過盈量尤應(yīng)被重視、控制，否則運轉(zhuǎn)不靈活，不但會影響零件的加工質(zhì)量，嚴(yán)重的還會傷及機器本身的有關(guān)零部件，使之壽命大幅下降，并遭受破壞。所以，間隙寧可稍大點，也不可使其過盈量偏大。

(2)軸承安裝在軸承套2 內(nèi)，用孔用彈性擋圈8定位卡緊。其中對應(yīng)軸承厚度尺寸16 mm，軸承套深度尺寸16 mm 和安裝孔用擋圈的尺寸必需要保證。尺寸大，軸承上下竄動，影響機構(gòu)的轉(zhuǎn)動;尺寸小，孔用彈性擋圈無法裝配安裝，軸承也就無法固定。

針對第一個問題，要嚴(yán)格控制軸承內(nèi)、外圈的配合尺寸公差，并保證軸承套孔的圓度和圓柱度，使裝配過程在不太大的外力下就可順利進行，以保證此結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動靈活性。

圖2 軸承套

對于第二個問題，在先測量確定孔用擋圈厚度尺寸的基礎(chǔ)上，再來控制軸承套上孔用彈性擋圈槽孔的上沿離下面調(diào)心球軸承定位臺距離M的尺寸公差，如圖2所示。此處尺寸M的公差必須確保。

為保證上面兩個問題中的尺寸公差問題，零件在加工過程中，效率寧可低一些，也要必須保證其尺寸公差，為后續(xù)的裝配過程提供必要的前提準(zhǔn)備和物質(zhì)基礎(chǔ)。

通過對進口設(shè)備的多部件反復(fù)拆卸、裝配，以上兩方面問題在進口設(shè)備中基本不存在?？紤]到，同時期國外的現(xiàn)代化工業(yè)水平發(fā)展較高，國外的數(shù)控機床在當(dāng)時已大量普及應(yīng)用，零件加工過程的尺寸公差，通過數(shù)控機床比較容易控制，并且效率較高。所以以上兩個問題，也就不可能存在。用數(shù)控機床加工，成本雖然高，但進口設(shè)備的售價特別高，所以適當(dāng)增加一些成本也是必然的。

2 首次改進的偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)

對原進口設(shè)備的偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)，要保證其轉(zhuǎn)動的靈活性和傳動的精度。必須認(rèn)真對待上面提到的兩種問題，這不但增加了加工的難度，提高加工成本，還大大降低了生產(chǎn)效率。

同時，這也為下一步的改進設(shè)計提出了新的問題。怎樣在不改變原結(jié)構(gòu)工作性能的前提下，降低加工的難度，提高生產(chǎn)效率。

其中，對于上面提到的第二個問題，由于購買的孔用彈性擋圈，不同的批次、不同的生產(chǎn)廠家，厚度尺寸不一樣，相差0.1～0.4 mm。本來軸承套尺寸M的公差就不好控制保證，這下，不好控制的尺寸M又成了一個變動的數(shù)值，就更加難以保證。不但難度大大增加，裝配有時也變得無章可循。

在這樣的情況下，通過不斷了解加工和裝配過程出現(xiàn)的問題，改進設(shè)計，最后確定的設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 首次改進的偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)

方案的具體實施辦法是:從軸承套和孔用彈性擋圈入手，在不改變其他零件的基礎(chǔ)上，去掉厚度尺寸變化的孔用彈性擋圈，減小軸承套的高度，增加一個壓緊調(diào)心球軸承外圈的端蓋，和孔用彈性擋圈所起的作用一樣。

增加一個零件端蓋2，軸承套上端面增加4 個均布的M5 螺紋孔，和另外的4 個裝內(nèi)六角圓柱頭螺釘M6 的螺釘沉孔錯開，成均布的45°夾角。

這種改進設(shè)計，在保證原機構(gòu)的功能特性的前提下，雖然成本略有增加，但零件加工的難度卻大大降低，裝配也變得比較容易、順暢，生產(chǎn)效率大幅度提升，加工周期大大降低，因而在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中，得到大量的推廣和應(yīng)用。使用時間大概持續(xù)有十余年，生產(chǎn)數(shù)量初步統(tǒng)計在70 000～90 000 余套，創(chuàng)造出不少的價值。原偏心轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)只使用了短短的兩年左右，便被淘汰，從不再用。

3 最新改進偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)

由于第一次改進后的結(jié)構(gòu)，零件的加工難度降低，生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)又比較順暢，再加上平時的生產(chǎn)任務(wù)又重，所以也就沒有人再動改進設(shè)計的念頭，以致使得這一次不大的改進持續(xù)應(yīng)用十多年。

近十年來，該種設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)越來越成熟，市場的需求量也急劇膨脹，再加上同行的競爭壓力也很大，該型設(shè)備已從20世紀(jì)90年代初的4 萬多，降到現(xiàn)在的2 萬多，競爭的殘酷性可想而知。

怎樣才能在保證產(chǎn)品性能質(zhì)量不變的前提下，大幅度降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高供貨能力，短時間內(nèi)給用戶提供質(zhì)優(yōu)價廉的設(shè)備，無疑是亟待解決的關(guān)鍵性、綜合性的一大難題。

機械設(shè)備是為了完成既定的某些功能，有多種零、部件有機組合。機械零件的數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，尺寸公差要求越嚴(yán)，加工時間就越長，加工成本就會增加，加工周期也自然變長。

圖4 最新改進偏心轉(zhuǎn)動連接機構(gòu)

零件結(jié)構(gòu)越簡單，零件數(shù)量越少，零件精度越低，能買到的盡量買通用件、標(biāo)準(zhǔn)件，這樣在理論上講，可以大幅度降低成本，縮短加工周期。

長時間伴隨著這種理念和想法，便有了下面更簡單的改進設(shè)計。具體設(shè)計見圖4。

在這種改進設(shè)計里面，基本上看不到加工的零件，零件簡單，數(shù)量極少，最大限度地借用常用件、標(biāo)準(zhǔn)件。具體分述如下:

T 型套1 是這次設(shè)計里面唯一的一個加工零件，簡單。同時，也可用幾個疊加組合的平墊圈和一個放在上面的彈簧墊圈替代，但要求高度要和T 型套1 的高度基本一致。

T 型螺釘2 為標(biāo)準(zhǔn)件，M12 ×70，價格1 元左右，可代替方頭螺栓——原來設(shè)計中為加工零件。

關(guān)節(jié)軸承(PHS12)3 直接購買，價格不到5元，大約是原來調(diào)心球軸承2203 價格的1/8。

通過查軸承手冊，選用的關(guān)節(jié)軸承PHS12 要比原調(diào)心球軸承2203 的動載荷數(shù)值大30%以上，靜載荷數(shù)值大300%以上。因該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度理論數(shù)值為72 r/min，所以極限轉(zhuǎn)速也就不須再考慮。

通過以上的分析可得到以下的結(jié)論:

在成本方面。改進設(shè)計后，4 個品種4 個件，基本沒有加工周期，隨時都可以大量采購到，價格成本也僅有8～10 元，只有原設(shè)計結(jié)構(gòu)造價的1/15 左右。

在裝配方面。因為結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計，裝配更加方便、省心。就螺釘而言，3 個品種共12 個螺釘全部省略。同時，原結(jié)構(gòu)的零件分別有5 處和6 處的配合關(guān)系，也全部省略掉。對于僅有的4 個件，既沒有配合關(guān)系的要求，也沒有裝配的精度要求，裝配的時間肯定大大縮短。對裝配人員的個人技能和裝配工具的要求更加簡單，人力、物力的成本自然大幅度降低。

在加工方面。原設(shè)計結(jié)構(gòu)有6 個零件，其中4 個工序復(fù)雜，還有1 個鑄造件。改進設(shè)計后，零件數(shù)量也僅有1 個(也可以說沒有，用標(biāo)準(zhǔn)件替代)，且比較簡單，沒有加工難度。比起以往的設(shè)計，加工周期變得很短，已經(jīng)可以忽略不計;同時，相關(guān)的制造成本也大幅度降低，以致于忽略不計。

綜上分析，最新的偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點，也是該設(shè)計的亮點，就是桿端關(guān)節(jié)軸承PHS12 的選用。通過選用這一常用件軸承，一切問題都迎刃而解。結(jié)果是，一套常見的、便宜的關(guān)節(jié)軸承代替比較少見的、昂貴的調(diào)心球軸承，同時又甩掉了絕大多數(shù)比較難加工、并且有配合關(guān)系的零件，也把相關(guān)的固定螺絲全部省略，節(jié)約了人力、物力成本，節(jié)約了零件加工、裝配時間，大大縮短了加工周期，為該產(chǎn)品在市場競爭中爭得了最大的優(yōu)勢和機會。

此結(jié)構(gòu)設(shè)計好后，在短時間內(nèi)，已批量生產(chǎn)，大量應(yīng)用在生產(chǎn)設(shè)備中。同時，也有不少廠家開始關(guān)注、仿制此結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)自設(shè)計出來到現(xiàn)在的兩年時間里，已在社會上得到了認(rèn)可，大量的推廣和應(yīng)用，已經(jīng)和正在產(chǎn)生著更大的社會經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

首次改進的偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)，現(xiàn)對于原結(jié)構(gòu)來說，最大的優(yōu)勢在于提高生產(chǎn)裝配效率，縮短了加工周期，提前了交貨的時間，為爭得客戶贏得了信譽。

最新改進的偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)，對比前兩次的設(shè)計來說，是一次脫胎換骨的設(shè)計，在設(shè)計改進方面發(fā)生了質(zhì)的飛躍。此設(shè)計不但使制造成本、生產(chǎn)效率、加工周期等方面發(fā)生了質(zhì)的突變，而且也在市場競爭中因物美價廉，交貨快，為客戶贏得利潤，得到了客戶的信賴。

一套簡單的桿端關(guān)節(jié)軸承，就完成了一套比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)動機構(gòu)，并且還帶來了多方面的益處和經(jīng)濟效益?？梢哉f是，一套簡單的軸承玩轉(zhuǎn)了一套比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，花了很少的精力、資金，辦了件大事，值得深思和借鑒。同時，此設(shè)計結(jié)構(gòu)，也為以后解決類似的設(shè)計問題，提供了一個良好的方法、思路和途徑。

［1］徐灝.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［3］吳宗澤.機械設(shè)計師［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.